気象あれこれ　コリオリの力（５）

金星のスーパーローテーションの謎にせまる
　　　　　　　ーーもう一つのコリオリの力に市民権をーー

過去の記事　　　
コリオリの力(4)
コリオリの力(3)
コリオリの力(2)
コリオリの力(1)

　回転している地球そして惑星には、動いている物質（気体も液体も含む）の速度と質量に比例した力が働きます。これがコリオリの力です。式で表せば F＝2ｍV＊ω となります。Fが力でmが質量、V が速度です。コリオリの力は地表に平行に動く物質に力（F＝２ｍV〃＊ωㅗ)が働くと同時に地表に垂直に動く物質にも力（F＝２ｍVㅗ＊ω〃)が働きます。

　地表に平行に動く物質に働くコリオリの力は非常によく知られています。台風や竜巻、つむじ風、風呂の栓を抜いた時の左巻きの水の流れなどです。これらの渦は北半球では、左巻きですが、南半球では右巻きになります。このコリオリの力は赤道直下ではゼロで北極点、南極点で最大になります。

　それでは地表に垂直に動く物質に働くコリオリの力はどうでしょうか。北半球も南半球も同じ方向に力が働き、北極点、南極点ではゼロで、赤道直下で最大になります。このコリオリの力で説明されている現象はほぼ皆無と言っていいでしょう。前回、赤道反流は垂直に動く大気の流れにコリオリの力が働き、起きている可能性を示しました。しかし、定説になっているわけではありません。

今回は、これはと思うものをもう一つ示します。それは金星の大気の流れです。

地球、火星、金星などの大気の流れを下図に示します。この図はJAXAの
金星の気象学-惑星の気象学とスーパーローテーション　←クリック
にある図です。

　上図の地球や火星の大気における極循環、フェレル循環、ハドレー循環、偏西風、編東風もすべて、地表に平行に動く大気に対するコリオリの力で説明できます。それに対し、金星やタイタンで起きているスーパーローテーションはよくわかっていないといわれています。

　コリオリの力は、地表に対して平行に動く気体に対して、働くのみならず、地表に対して、垂直に動く気体に対しても働きます。私は、金星やタイタンで起きているスーパーローテーションは地表に対して、垂直に動く気体に対しても働くコリオリの力によるものと考えます。

以下は金星に関するJAXAの記事の抜粋です。
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『金星は大きさや重さは地球と似ていますが、惑星表面の環境は地球と大きく違っています（図1）。 たとえば金星の大気は二酸化炭素（96.5％）を主成分として、あとは微量の窒素（3.5％）などです。 大気の量が大変多いため、地表面での気圧は約90気圧もあります。この圧力は深さ900mの海の底と同じです。 約45 kmから70kmの高さには濃硫酸からなる雲があります。 この雲は地球の雲と違って惑星全体を完全におおっていて、そのために外部から大気や地表面を観察することは困難です。

金星の大気大循環はどうなっているのでしょうか。 金星の自転周期は243地球日であり、赤道での自転速度は1.6 m/秒しかありません。大気と地面は絶えず力を及ぼしあっているので、このように自転の遅い惑星上で吹く風は自転と同程度に遅いと予想されます。 例えば地球の偏西風は30 m/秒程度ですが、これは赤道での自転速度460 m/秒の1割にも達していません。

しかし金星の滝循環はこのような予想とは全く違っていました。 1974年に米国の探査機マリナー10号が連続撮影した画像によれば、 雲はどこでも自転と同じ方向に 100m/秒もの速さで流れ、約4地球日で1周していたのです（図２）。 

これは大気が地面の60倍もの速さで回転していることを意味します。 金星にこのような風が吹いていることは、実はフランスのアマチュア天文家が1957年に先に発見していたそうです。 しかし同じころ地上からのレーダー観測によって金星の自転速度が大変遅いことがわかったため、 4日で1周する風などありえないと決め付けられて、長らく無視されていたということです。

この不思議な風は「スーパーローテーション（超回転）」とか「4日循環」とか呼ばれています。 その後着陸機が大気中を降下しながら観測したところ、風は高度65 kmくらいまで高さと共に強くなっています（図3）。

大気には粘性（ねばっこさ）があり、地面との間で摩擦が働くので、特別なしくみが働かないかぎりこのような風の分布は徐々に均されてしまい、 最終的には自転速度と大差ない風速に落ち着くはずです。 地球を基準に考えると大変不思議な風です。
ーーーーー以上、JAXAの記事の抜粋でした。

 　更にJAXAの記事では、スーパーローテーションの原因として３説が書かれています。そして３説とも、原因を硫酸の雲とその下にあるとしています。どれも決め手がなく、まだよくわかっていないとのことです。

　私は、このスーパーローテーションは硫酸の雲の上の大気にあると考えます。硫酸の雲の上の大気が地表に垂直に動き、垂直に動く大気に働くコリオリの力によるものだと推測できます。コリオリの力によるという説は、３説に入っていません。

私の推測を以下に示します。

• 硫酸の雲とその下の高圧なCO2層は、地球の海に相当するのではないかと考えます。
  というのは上記のJAXAの記事に
  「金星の地表面での気圧は約90気圧もあります。この圧力は深さ900mの海の底と同じです。」と書いてあるからです。
• 地球の場合、海流は大気の流れに従うと説明されています。そうであれば金星のスーパーローテーションは硫酸の雲の上の大気が引き起こしていると考えてもおかしくありません。金星は多量なCO2のため非常に高温になっているので、大気の上下対流は激しく、下降する大気にコリオリの力が働いて硫酸の雲を自転する方向に加速すると考えられます。
• 地球型の回るジャングルジムがあります。回転し始めると子供わずかな力でも回転を手助けすればかなり高速にジャングルジムを回すことができます。これと同じように下降流に働くコリオリの力が継続的に硫酸の雲にかかり続ければ高速回転も可能になり得ます。
  
  
  
• 下降する大気にコリオリの力が働いて、自転は243日に対して硫酸の雲は4日循環というのもありうると考えられます。
  
  
  
  
  

　スーパーローテーションの絵を見ていると赤道直下が最も高速で、極地は低速にみえます。地表に垂直の動く大気に対しは、コリオリの力は赤道直下で最大になり、極地でゼロになることと矛盾はありません。

　JAXAの記事の中に地球の大気シミュレーションで条件をかえるとスーパーローテーションのような流れが再現されるとも書いてあります。これはシミュレーションはコリオリの力の基本方程式を忠実に解いており、地表に水平に動く大気にも垂直に動く大気にもコリオリの力が自然に反映されているからだと思われます。

　ただ、人々の意識のなかに地表に垂直に動く大気に働くコリオリの力がないだけだと思います。ということで、もう一つのコリオリの力に市民権を。

(追記１)
　地表に水平に動く大気に働くコリオリンの力にばかりに注目がいくのは、それが台風や竜巻など甚大な災害を起こしているからやむを得ないところもある。しかし、台風も竜巻もその中心付近は地表に垂直にも動いている。いずれこれらに対するコリオリの力も注目されるようになると考えられる。

(追記２)
　Wikipediaには、JAXAのあかつきはスーパーローテーションの原因を突き止めたと書いてあるが、JAXA自体は説の一つであるとしている。そして徹底的なデータ不足であり、いろんな人がいろんな説を唱えているとのことである。
　戦国の時代も維新の時も資料が十分にあるとは言えない。作家や脚本家は想像力を働かせていろんな物語を作る。金星のスーパーローテーションもこれからもいろんな案がでてくると思われる。歴史と違うのはデータ（資料）が積み重なっていくのは今後であり、いつかスーパーローテーションの原因が明確になる時がくると期待する。

（追記３）
JAXAのHPに載っている金星のスーパーローテーションのメカニズム案を下記に示します。いずれも硫酸の雲の下に原因を求めています。

気象気候あれこれーコリオリの力４

　コリオリの力は、台風や竜巻の左巻きの渦（北半球の場合）の原因として説明されています。台風や竜巻は地球の表面に平行して動く大気に対してコリオリの力が働き、渦となったものです。この地表に対して平行に動く大気に対するコリオリの力は、赤道上ではゼロで南極や北極の極地で最大となります。

　コリオリの力が働くのは、地球の表面に平行に動く大気や海流のみではありません。垂直方向に動く大気や海流にもコリオリの力が働きます。この場合は、赤道で最も大きく、極地ではゼロとなります。

　この地球の表面に対して垂直に動く大気や海流に対するコリオリの力は何故か全くといっていいほど聞くことがありません。

　ここでは、この垂直方向に動きに対するコリオリの力が表れているだろうと思われる例を示します。もちろん、赤道直下です。
　上昇気流に対しては、下図に示すように東から西へ押し付けるようなコリオリ力が生じます。下降気流に対しては、西から東へ押し付ける力が働きます。コリオリの力を受けた下降気流や雨は、海面を西から東へ動かすように叩きつけます。これは西から東へ流れる海流を引き起こします。

　赤道直下の海流は、一般的な教科書にどう書かれているでしょう。

　風は高気圧帯（中緯度高圧帯）から低気圧帯（熱帯収束帯））へ地表もしくは海面に平行に風が流れます。この流れに対してコリオリの力が働き、北半球も南半球も東から西へ向かう風（貿易風）になります。

出典：大気循環　　　　

下図は風の流れ（赤い矢印）と海流（濃い青の矢印）を示しています。海流は風の流れにお影響をうけます。この図によりますと、赤道付近では、北半球も南半球も東から西へ向かって流れています。

出典：海流はどうしておこるの

教科書的な説明書には、赤道上で図1のような流れは書かれていません。

詳しい海流図を見てみます。

出典：世界の主な海流

すると上図のように太平洋、インド洋、大西洋のいずれに西から東へ流れる赤道反流（Equitorial Counter）が書かれています。

この赤道反流が、図1に示した上下方向に動く大気に対して働くコリオリの力によると考えられます。

北赤道流（N.Equitorial）及び、南赤道（S.Equitorial）はいわゆる貿易風によるものです。
これも太平洋、インド洋、大西洋のいずれにも存在しています。

太平洋では、東の海水温が高くなるエル・ニーニョ現象、西の海水温が高くなるラ・ニーニョ現象が知られています。

インド洋では、東の海水温が高くなる負のダイポール現象、西の海水温が高くなる正のダイポール現象が知られています。

大西洋にも同じような現象があってもおかしくないと思われますが、今のところそのような話はありません。今後、類似の現象があるかどうか、なければ何故ないのか等が判明するのではないかと期待しています。

ここでは赤道反流は、コリオリの力によるものと説明しましたが、定説になっているわけではありません。

Wikipediaでは貿易風により西の海面が東の海面より高くなり、そのため赤道反流が起こると説明されています。しかし、そうだとすると貿易風が強いと赤道流も赤道反流も強くなり、エルニーニョ、ラニーニョ現象がうまく説明できません。

今回の”赤道反流はコリオリの力”説では、貿易風が弱まれば、赤道反流が大きくなり、太平洋のエルニーニョ・ラニーニャ振動、インド洋ダイポール振動の説明につながると思われます。

地表や海表面に平行に働くコリオリの力は、あまりにも有名ですが、地表や海表面に垂直に動く大気に対するコリオリの力は皆さん忘れていませんか、と言いたいです。

気象気候あれこれ（３） – コリオリの力２

気象気候あれこれ（２）- コリオリの力１
気象気候あれこれ（１）- 増える異常気象

気象気候あれこれ（３） – コリオリの力２

地球は自転している。この自転のため、地球上で動いているものに対して、力が加わる。この力はコリオリの力と呼ばれている。
前回、北半球においては、台風はコリオリの力で左回り（反時計回り）、高気圧からでてくる風は右回り（時計回り）であることを示した。南半球では逆回りとなる。

　地球上に吹いている貿易風や偏西風もこのコリオリの力で説明できる。
一般に暖かい場所は大気が膨張し、軽くなって上昇するので、低気圧となる。寒いところは空気が圧縮され、重くなって下降するので、高気圧となるといわれている。

　18世紀にハドレーという人が、赤道では大気が上昇し、低気圧となる。一方北極では、大気が冷え下降して高気圧となる。このため地表では、北極から赤道に向かって、風が吹く。赤道の上空は、大気が上昇してくるので、高気圧化し、北極の上空は、大気が下降するので低圧化している。従って、上空では赤道から北極へ向けて風が吹く。このように赤道と南極の間を大気が大循環していると提唱した。（下図参照）

　現実は、北緯30度付近に高気圧帯があり、北緯60度付近に低気圧帯がある。これら高気圧帯と低気圧帯を考慮した大気循環の流れを下図で示す。

　コリオリの力を考慮すると下図のようになる。

いわゆる貿易風、偏西風は30度付近の高気圧帯、60度付近の低気圧帯を前提としてコリオリの力を考慮すると上図のように説明できる。赤道から30度までの大気の流れは、ハドレー循環、30度から60度の大気の流れをフェレル循環、60度から北極前の大気循環は極循環と言われている。　教科書やネット上で類似の図をみることができる。ここでは他の図では取り入れられていない以下の点を図で示している。

• 地表に平行に動く風には、コリオリの力が北極では強く働くのに対し、赤道に近づくにつれて弱くなること。これは楕円の傾きで示している。
• 上昇気流や下降気流に対しては、コリオリの力は赤道付近では最も大きく、北極に近づくにつれて弱くなくこと。これは楕円の幅で示している。
• 上昇気流は西に動いていくのに対し、下降気流は東に動くこと。これは楕円の色と矢印でわかるようにしている。

上記のように図に差別化をしているとはいえ、既にたくさんの情報があるなか、ここで大気の流れに言及したのは、30度付近に高気圧帯があり、60度付近に低気圧帯があるのは何故かと云うことをいずれ考察したいからである。

気象気候あれこれ２ – コリオリの力

気象気候あれこれ２ – コリオリの力１
気象あれこれ１ - 増える異常気象

気象気候あれこれ２ – コリオリの力１

　回転している球体があり、その球体上で動いている物体には”コリオリの力”と呼ばれる力が働く。
　地球は自転している。この自転のため、地球上で動いているものに対して、コリオリの力が加わる。地球が回転している角速度をωとする。 質量　m　の物質が 速度　ｖ　で動いているとするとその物質に次図の式で表わされるコリオリの力 Ｆ が働く。

　このコリオリの力のため、北半球では左巻きの台風や竜巻が起き、南半球では右巻きの台風や竜巻がおきる。貿易風や偏西風もこのコリオリの力が影響する。

　海流には、表層流と深層流があるが、表層流は風に押し流されておきる。地球上の風や海流の流れを理解するうえでコリオリの力がどのように働くか知る必要がある。このコリオリの力は日々の気象にも影響を与える。更に、年間を平均して、その推移を問題とする気候変動にもコリオリの力は影響している。コリオリの力は気象予報士のお兄さんやお姉さんはにとって重要不可欠な知識でもある。

　天気図に示される風の向きは、地表に沿って流れる風を示している。次図で地表に沿って流れる風に働くコリオリの力を考える。まず角速度ベクトルωを地表に平行な成分と垂直な成分に分ける。地表に平行に走る風には、角速度ベクトルの垂直成分のみが有効に働く。

　次図で、低気圧に働くコリオリの力を考える。低気圧があった場合、風は低気圧の中心に向かって流れる。つまり、低気圧の中心に向かう力が働いている。この力とコリオリの力を足したもの（ベクトルの足し算）が実際に風に働く力である。

　角速度ωの垂直成分が、北半球では上空方向に向いているのに対し、南半球では地球の中心に向いている。このため、北半球では、低気圧の中心より右側に向けて力が働くのに対して、南半球では低気圧の中心より左側に向けて力が働く。このコリオリの力の向きが逆になることから北半球では台風や竜巻が左巻きになるのに対して南半球では右巻きになる。

　地表に平行に動く風に対して働くコリオリの力は、北極南極で最大となり、赤道直下ではゼロとなる。コリオリの力がゼロとなる赤道直下では台風や竜巻が起きない。

　台風や竜巻のみならず普通の低気圧に対しても風の流れは、北半球では左回りで、南半球では右回りになる。高気圧がある場合、風の流れは北半球では右回り、南半球では左回りとなる。

　上昇気流や下降気流に対しては、角速度ωの水平成分がコリオリの力を引き起こす。この水平成分は北半球も南半球も北側を向いている。

　このため上昇気流は北半球南半球ともに西側に寄り、下降気流は東側による。

上昇気流や下降気流に働くコリオリの力のため、台風が右巻きになったり、左巻きになったりするよう、なにかが起きるとか聞いたことがない。風が水平移動する距離に対して、風の上下する距離が少なく、そのために東西にずれる距離が少なく、特に問題とならないと考えられる。

　赤道直下では、水平に動く風に対してコリオリの力はゼロになる。コリオリの力がゼロになるため赤道直下で台風や竜巻がおきないと言ってもよさそうである。　しかし、何故かと云う問いに対する答えは簡単ではなさそうである。この問題は別途考えていきたい。

　次は、コリオリの力　起因の貿易風や偏西風について考えていきたい。

気象気候あれこれ – 増える異常気象

　 　異常気象による災害が多く、大きくなっており、だんだん他人ごとではなくなっている。何がどうなっていて、今後、どうなるのか。

　一般的な見解は、「地球温暖化のため、異常気象が多くなった。排出されるCO2は増え続けているので、今後も温暖化は確実にすすむ。異常気象はさらに増し、災害は増え続ける」である。

　異常気象による災害が、ここまで増えると、みんな異常気象は何故どのようにして起きるのかと問いかける前に、自分の住んでいるところの危険性や災害にあった場合の対処方法のほうが気になる。

　しかし、異常気象や温暖化の長期対策、抜本対策には、気象気候問題の解明と周知が重要かつ必要であるため、ここでは気象気候についての何故何故を考えていきたい。　

　気象気候問題は、専門家もまだわかっていないことが多い。観測技術は急速に発展しており、多くのデータが取得され、多量データの処理技術も発展しようとしている。ことが深刻であるぶん、この分野は急発展しており、ホットである。

　気象気候を考えるうえで知っておかなければならない基礎知識がある。先ず、それを紹介して、次に何故何故を示し、答えを探っていきたい。

　基礎知識として、以下があげられる。これらを数回にわたって紹介していく。

1. コリオリの力
   地球が自転していることによって生じる力。貿易風、偏西風、台風、竜巻等々コリオリの力による。


2. 太陽及び地球の輻射強度
   太陽の熱が、地球の温度を決める。とは言い切れない面もあるが。太陽の輻射エネルギー、地球の輻射熱を見積もることができる。


3. CO2分子およびH2O分子の振動
   太陽光の波長にCO2分子およびH2O分子が共振する。この共振が地球の温度に大きな影響を与えている。

（次回、コリオリの力）